Χάλυβες ονομάζονται τα σιδηρούχα κράματα

Κράμα

είναι το υλικό που συνίσταται από διαφορετικές χημικές ουσίες. Όταν είναι στερεό, χαρακτηρίζεται από τη συμμετοχή και όλων των ουσιών στο κρυσταλλικό πλέγμα. Δηλαδή, το σώμα είναι κρυσταλλικό και σε αυτόν τον κρύσταλλο τα άτομα των συστατικών του είναι διατεταγμένα στο χώρο σαν να είναι άτομα του ίδιου είδους. Το κρυσταλλικό πλέγμα αντικατοπτρίζει τη γεωμετρική δόμηση μιας χημικής ουσίας. Ονομάζεται κρύσταλλος στην περίπτωση του στερεού υλικού που παρουσιάζει κανονική γεωμετρική ??ιάταξη των δομικών μερών του. Το κρυσταλλικό πλέγμα ανάλογα με τη γεωμετρική διάταξη που σχηματίζουν τα άτομα ή άλλου είδους σωματίδια στο εσωτερικό της ουσίας , διακρίνεται σε επτά κρυσταλλικά συστήματα : εξαγωνικό, κυβικό, μονοκλινές, ορθορομβικό, πομβοεδρικό, τετραγωνικό και τρικλινές.

με περιεκτικότητα έως 2% άνθρακα και αποτελούν πάνω από το 80% των βιομηχανικών κραμάτων. Αυτό οφείλεται τόσο στο χαμηλό τους κόστος όσο και στη σχετική ευκολία παραγωγής χαλύβων σε μεγάλες ποσότητες με ακριβείς προδιαγραφές. Οι ακόλουθοι τρεις παράγοντες παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ευρεία χρήση τού χάλυβα.

(α) τα μεγάλα παγκόσμια αποθέματα μεταλλεύματος

Μετάλλευμα

είναι το υλικό που εξορύσσεται από ένα κοίτασμα. Μπορεί να είναι είτε ορυκτό είτε πέτρωμα. Ορυκτό είναι ένα φυσικό ανόργανο στοιχείο ή ένωση με συγκεκριμένη δομή (συνήθως κρυσταλλική), συγκεκριμένη χημική σύσταση και συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες. Ως πέτρωμα χαρακτηρίζεται ο γεωλογικός σχηματισμός που αποτελείται από ένα ή περισσότερα ορυκτά.

(ο φλοιός της γης περιέχει περίπου 4% σίδηρο Fe

Σίδηρος

το χημικό στοιχείο με σύμβολο Fe είναι μέταλλο με ατομικό αριθμό 26, θερμοκρασία τήξης 1535°C και βρασμού 2750°C. Είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στον στερεό φλοιό της γης μετά το οξυγόνο (O), το πυρίτιο (Si), και το αργίλιο (Al). Επίσης είναι το μέταλλο με την πιο ευρεία χρήση, κυρίως με τη μορφή των δύο σημαντικότερων κραμάτων του, του χάλυβα και του χυτοσιδήρου (κράμα σιδήρου με άνθρακα C > 2,1 %).

) που ανάγονται εύκολα στη μεταλλική κατάσταση σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ανακυκλώσεως του παλαιοσιδήρου (scrap).

(β) το σημείο τήξεως του σιδήρου (1535°C) επιτρέπει τη θερμική ενεργοποίηση διεργασιών σε θερμοκρασίες (Τ.>400°C) που επιτυγχάνονται σχετικά εύκολα και ελέγχονται βιομηχανικά.

(γ) η αλλοτροπία του σιδήρου και ο μετασχηματισμός φάσεων στους χάλυβες (π.χ. ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός) επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας μικροδομών που οδηγεί σε ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων.

Μηχανικές ιδιότητες

περιγράφουν την ικανότητα ενός υλικού στην θλίψη, στον εφελκυσμό, στην διάτμηση, στην στρέψη, στην κάμψη και στον λυγισμό, δηλ??δή την αντοχή και την αντίσταση του σε εξωτερικές δυνάμεις, που τείνουν να το παραμορφώσουν.

Αλλότροπα στοιχεία ονομάζονται αυτά τα οποία εμφανίζονται με περισσότερες της μίας φυσικές μορφές, αφού τα άτομά τους συνδυάζονται με ποικίλους τρόπους (π.χ. ο γραφίτης και το διαμάντι είναι αλλότροπα του άνθρακα).

Τα παραπάνω καθιστούν τους χάλυβες το σημαντικότερο και πιο διαδεδομένο υλικό των μηχανολογικών κατασκευών. Κυρίαρχο ρόλο παίζει η αλλοτροπία του σιδήρου. Η διαμόρφωση της δομής και των ιδιοτήτων των χαλύβων πραγματοποιείται με τις θερμικές κατεργασίες (κυριότερη των οποίων είναι η ανόπτηση). Η μεγαλύτερη ποικιλία μικροδομών στους χάλυβες σχηματίζεται κατά το μετασχηματισμό του ωστενίτη όταν αυτός ψύχεται. Έτσι, βάσει της αλλοτροπίας του σιδήρου, έχουμε τη φάση του α-Fe BCC (κυβικό ενδοκεντρωμένο κρυσταλλικό πλέγμα) να κυριαρχεί μέχρι τους 910°C, τη φάση γ- Fe FCC (κυβικό ολοεδρικά κεντρωμένο) μεταξύ 910 και 1400°C και τον α-Fe να επανεμφανίζεται μεταξύ 1400°C και σημείου τήξεως.



Το στερεό διάλυμα

Στερεό διάλυμα

είναι ένα διάλυμα στερεής κατάστασης μίας ή περισσότερων ουσιών διαλυμένων εντός ενός διαλύτη (διαλυτικό μέσο π.χ. υγρό). Ένα τέτοιο μείγμα το χαρακτηρίζουμε ως διάλυμα αντί ένωση, όταν η κρυσταλλική δομή του διαλύτη παραμένει αμετάβλητη μετά την πρόσθεση των ουσιών και το μίγμα παραμένει σε μια μοναδική ομοιογενή φάση. Αυτό ως συνήθως συμβαίνει όταν τα στοιχεία (μέταλλα επικρατέστερα) που διαλύονται βρίσκονται σε κοντινή θέση στον περιοδικό πίνακα (βλέπε ‘χημικό στοιχείο’). Αντίθετα, μία χημική ??νωση είναι γενικά αποτέλεσμα δύο στοιχείων που δεν βρίσκονται κοντά στον περιοδικό πίνακα.

του α-Fe με άνθρακα ονομάζεται φερρίτης, ενώ το αντίστοιχο στερεό διάλυμα του γ-Fe με άνθρακα ονομάζεται ωστενίτης. Βασική διαφορά των δύο φάσεων αποτελεί η στερεά διαλυτότητα του άνθρακα η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη στον ωστενίτη απ’ ό,τι στο φερρίτη. Για παράδειγμα ο ωστενίτης μπορεί να διαλύσει 2% άνθρακα ενώ ο φερρίτης μόλις 0,02% κ.β..

Αν και το σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των χαλύβων είναι ο άνθρακας, τις περισσότερες φορές προστίθενται και άλλα κραματικά στοιχεία για διάφορους λόγους. Έτσι στους περισσότερους χάλυβες θα συναντήσουμε το Mn και το Si ή ακόμα το Cr, το Ni και το Mo. Ο ρόλος ενός κραματικού στοιχείου είναι σύνθετος. Επηρεάζει την στερεά διαλυτότητα των άλλων κραματικών στοιχείων, τη θερμοδυναμική σταθερότητα των φάσεων και εν γένει τη διαμόρφωση της μικροδομής στους χάλυβες καθώς και τις φυσικές

Φυσικές ιδιότητες

περιγράφουν την ικανότητα ενός υλικού να υποστεί διαστολή και συστολή, καθώς και την αγωγιμότητά του στον ηλεκτρισμό και τη θερμότητα.

και μηχανικές ιδιότητές τους. Πιο συγκεκριμένα, τα στοιχεία διακρίνονται σε δύο κατηγορίες εξαιτίας της τάσης τους να προωθούν είτε την ωστενιτική είτε τη φερριτική μικροδομή. Παρακάτω αναφέρονται συνοπτικά οι κυριότερες επιδράσεις των κραματικών στοιχείων.